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관성항법장치의 관성 센서축과 하우징 축과의 비정렬 측정과 보상에 관한 연구
A Study on Methods of Measuring and Compensating Misalignment between Inertial Sensor Body and Housing Frame 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.15 no.4, 2012년, pp.374 - 380  

유해성 (국방과학연구소) ,  김태훈 (국방과학연구소) ,  김천중 (국방과학연구소) ,  이윤선 (국방과학연구소) ,  박흥원 (국방과학연구소)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In guided missile systems, reducing terminal-position error is the primary objective of the inertial navigation system. As a seeker is used to sense and track a target, the critical function of the inertial navigation system is to provide the seeker with accurate missile attitude information and hel...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 3°)에 비하면 매우 작은 량이다. 따라서 본 논문에서는 자체 정렬을 수행하였을 때 발생하는 관성 센서에 의한 자세 오차는 무시하도록 한다. 하지만, 이 자세 오차와는 별개로 관성 센서뭉치가 하우징에 장착되면서 발생되는 비정렬은 아래 그림의 예에서 같이 관성센서뭉치(IMU : Inertial Measurement Unit)와 내·외부로 부터 발생되는 진동을 차단하기 위해서 장착되는 댐퍼(Damper)을 이용하면서 크게 발생할 수 있고, 그 크기가 자세 오차에 비해 훨씬 크게 존재하게 된다.
  • 본 논문에서는 유도탄에 자세 정보를 제공하는 관성항법장치의 관성센서 축과 하우징 축 사이의 비정렬을 측정 보상하는 방법을 제시하였다. 3개의 Euler 각으로 표현되는 비정렬을 동시에 측정할 수 있는 RT을 이용한 방법과 각기 다른 2개의 비정렬을 회전에 의한 측정 방법을 비교하여 각각의 방법이 유효함을 보였다.
  • 본 논문에서는 이렇게 틀어진 관성센서의 축의 자세가 아닌, 하우징의 바닥면과 이에 수직인 기준면(일반적으로 관성항법장치가 장착되는 바닥면은 그 평면도 오차를 최소화 되도록 기계적 가공이 이루어진다)으로 자세를 출력할 수 있도록 비정렬을 측정하고 보상하는 방법에 대해서 기술한다.
  • 본 논문에서는 첫번째 오차 요소인 Strapdown형 관성항법장치(SDINS)의 센서축과 하우징 축의 비정렬을 최소화하는 방법에 대해서 기술한다. 세부적으로는 관성항법장치의 센서축과 하우징 축 사이의 비정렬을 계산하는 방법과 그 비정렬을 보상하는 방법에 대해서 논의한다.
  • 본 논문에서는 첫번째 오차 요소인 Strapdown형 관성항법장치(SDINS)의 센서축과 하우징 축의 비정렬을 최소화하는 방법에 대해서 기술한다. 세부적으로는 관성항법장치의 센서축과 하우징 축 사이의 비정렬을 계산하는 방법과 그 비정렬을 보상하는 방법에 대해서 논의한다. 비정렬를 계산하는 방법으로는 Rate Table을 이용하여 구하는 방법과 회전에 의한 방법에 대해서 기술하였으며, 각 방법의 장단점과 가정들에 대해서 논의한다.

가설 설정

  • 위 그림과 같이 하우징에 대해서 센서축이 Θe 만큼 틀어져 있다고 가정하고, 이 Θe를 구하는 과정을 알아보자.
  • 실제적으로 관성항법장치의 중심축과 뒷면이 수직이 되게 가공하기 어려운 상황에서 관성항법장치를 유도탄에 장착하고, 롤축 회전을 통해 피치와 수직축 비정렬 구하는 방법에 있을 수 있다. 이 방법에서 유도탄에 관성항법장치의 바닥면 AB를 이용하여 장착된 상황에서 측정하며, 유도탄의 중심축이 하우징의 중심축과 동일하다는 가정하에 이루어진다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탐색기는 어떤 임무를 수행하는가? 미래의 유도 무기 발전 추세가 정밀 타격 형태로 진행됨에 따라서 유도탄은 위치, 속도 및 자세 정보를 제공하는 관성항법장치(Inertial Navigation System)와 더불어 종말 오차를 향상시킬 수 있는 탐색기(Seeker)를 채택하는 방향으로 진행되고 있다[1]. 탐색기는 목표물에 대한 3차원의 영상 정보를 가지고, 종말 단계에서 관성항법장치의 자세 정보를 이용하여 예상되는 2차원 정보를 추출하며, 비행 중 영상 장치에서 획득된 정보와 융합하여 임무를 수행한다. 이 때 관성항법장치와 탐색기의 비정렬(Misalignment) 즉, 관성센서의 동체 좌표계(Body Frame)와 탄의 동체 좌표계 사이의 비정렬에 의해서 2차원 정보를 추출하고 획득하는 과정에서 오차를 발생시킬 수 있으며, 자세 정보를 이용하는 종말 단계에서의 유도에 오차를 유발하게 된다.
관성항법장치와 탐색기의 비정렬 오차의 3가지 형태는 무엇인가? 관성항법장치와 탐색기의 비정렬 오차는 관성항법장치의 자체 성능과 관계된 자세 오차를 제외하고, 크게 3가지 형태로 구성된다. 첫째로 관성항법장치의 센서축과 센서가 장착된 하우징의 비정렬이 있으며, 두번째로 관성항법장치의 하우징이 장착되는 부분과 탐색기의 하우징이 장착되는 부분과의 기계적 가공 오차에 의한 비정렬이 있다. 마지막으로 탐색기가 장착되는 하우징과 영상을 획득하는 부분 사이의 비정렬이 있다.
관성항법장치와 탐색기의 비정렬(Misalignment)은 무엇에 의해서 2차원 정보를 추출하고 획득하는 과정에서 오차를 발생 시킬 수 있는가? 탐색기는 목표물에 대한 3차원의 영상 정보를 가지고, 종말 단계에서 관성항법장치의 자세 정보를 이용하여 예상되는 2차원 정보를 추출하며, 비행 중 영상 장치에서 획득된 정보와 융합하여 임무를 수행한다. 이 때 관성항법장치와 탐색기의 비정렬(Misalignment) 즉, 관성센서의 동체 좌표계(Body Frame)와 탄의 동체 좌표계 사이의 비정렬에 의해서 2차원 정보를 추출하고 획득하는 과정에서 오차를 발생시킬 수 있으며, 자세 정보를 이용하는 종말 단계에서의 유도에 오차를 유발하게 된다. 일반적으로 관성항법장치의 자세는 관성항법장치의 센서 뭉치(Inertial Measurement Unit)의 특정축(자이로나 가속도계축)을 기준으로 제공하는데 반해서, 탐색기가 획득하는 2차원 정보는 실제 유도탄의 자세를 기준으로 획득되어 지기 때문에 이런 오차가 유발될 수 있다.
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참고문헌 (5)

  1. 이성만, 이수창, 오현식, 성덕용, "탑재비행 시험을 이용한 유도무기탑재 장비의 시험평가", Vol. 35. No1, pp 72-78, 한국항공우주학회지. 

  2. G. M. Siouirs, "Aerospace Avionics Systems, A Modern Synthesis", Academic Press, 1993. 

  3. Kenneth R. Britting, Sc.d., Inertial Navigation Systmes Analysis, Wiley-Interscience, 1971. 

  4. Oleg S. Salychev, "Inertial Systems in Navigation and Geophysics", Bauman MSTU Press, Moscow, 1998. 

  5. Robert M. Rogers, Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems 2nd Ed., AIAA, 2003. 

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